一种基于双超声振动辅助双丝的异质材料激光焊接熔池调控装置与方法

技术领域：

本发明涉及异质材料激光焊接熔池调控领域，具体涉及一种基于双超声振动辅助双丝的异质材料激光焊接熔池调控装置与方法。

背景技术

采用异种材料制造的焊接结构，不仅能满足不同工作条件对材质提出的不同要求，而且可节约大量的贵重材料，降低成本，发挥不同材料的性能优势。异种材料焊接结构在机械、化工、电力及核工业等行业得到广泛应用，异种材料的焊接也越来越受到重视。

目前异种材料的焊接存在很多问题，异种材料之间的低混相性和热物理性能特别是热膨胀系数显著不匹配，容易引起热应力，而且这种热应力不易消除，结果会使接头处产生裂纹或很大的焊接变形；异种材料焊接焊缝冶金相容性差，机械性能差，存在着气孔与裂纹问题；在异种焊接过程中还会产生脆性相IMCS，使焊接接头塑性与韧性明显下降，给焊接带来很大困难。

激光焊接是一种易于控制和清洁的制造方法。此外，将热源集中到一个非常小的区域的能力使几乎任何金属材料都能很容易地加热、熔化和蒸发。在异种材料激光焊接过程中，引入异种双丝作为填充材料可避免异种金属直接接触形成脆性相，利用原位合金化进行冶金反应调控，选用与异种材料热物理性质匹配的两种焊丝可提高焊缝冶金相容性提高焊缝组织。超声振动可以主动干预熔池流动，使熔池元素混合更加均匀，减少成分偏析，同时超声波的声流和空化效应可以使组织细化提高接头性能。

发明内容

本发明的目的：针对丝导超声辅助激光焊接熔池调控的需求，本发明提供了一种基于双超声振动辅助双丝的异质材料激光焊接熔池调控装置与方法，结合丝导超声辅助技术实现对异质材料激光焊接熔池调控以及提高接头界面质量。

本发明的目的是这样实现的：

所述一种基于双超声振动辅助双丝的异质材料激光焊接熔池调控装置，包括双超声振动辅助双丝系统、激光焊接系统、雷达流量计、控制系统；

所述双超声振动辅助双丝系统通过安装于激光头两侧的超声振动结构以及超声冲击结构使焊丝产生两种振幅方向不同的超声振动，所述雷达流量计安装在激光头后侧的支架上；

所述调控装置工作时，所述双超声振动辅助双丝系统送入两种不同成分的焊丝，焊丝始终与熔池接触，向熔池传递超声振动；所述雷达流量计实时监测熔池的熔深、熔池表面流动速度，并将数据反馈到控制系统；

所述控制系统根据反馈数值，控制超声振动结构以及超声冲击结构的输出功率、振动波形、振动频率、振幅以及第一焊丝和第二焊丝的送丝速度，进而闭环调控界面组织与熔池内元素混合。

双丝送入时采用异种焊丝，匹配异种金属的物理化学性能特点，抑制脆性金属间化合物的形成，通过调节施加在熔池内的超声振动主动干预熔池流动，使熔池内元素混合更加均匀，抑制成分偏析，减少气孔、裂纹等缺陷，同时使界面组织晶粒细化，提高接头质量。

所述超声振动结构连接于所述激光头一侧送丝机构上，包括依次连接的超声换能器、变幅杆、工具头；第一焊丝在送丝导嘴的入丝端穿过所述工具头；所述超声振动结构用于向第一焊丝施加垂直于送丝方向的超声振动。

所述超声冲击结构连接于所述激光头另一侧，包括依次连接的超声换能器、变幅杆；第二焊丝穿过超声冲击结构内中心孔，从变幅杆中心送出；所述超声冲击结构用于向第二焊丝施加平行于送丝方向的超声振动。

所述双超声振动辅助双丝系统可同时向熔池内施加两种振幅方向不同的超声振动；振幅方向平行于送丝方向的超声振动其能量主要作用在熔池的深度方向，振幅方向垂直于送丝方向的超声振动其能量主要作用在熔池的宽度与长度方向；因此所述控制系统可根据所述雷达流量计监测到的熔深数据和表面流动速度对应调节所述两种振幅方向不同的超声振动参数以实现对熔池全方位的闭环调控。

一种基于双超声振动辅助送丝和双丝异种或同种金属的激光焊接熔池调控方法，采用上述基于双超声振动辅助送丝和双丝异种或同种金属的激光焊接熔池调控装置，包括如下步骤：

步骤1：首先对待焊工件加工坡口并进行表面处理，清除表面杂质，之后将工件固定在数控机床上。

步骤2：根据需要连接的异种金属的物理化学性能特点，选择合适的焊丝、送丝方式、送丝速度等。

步骤3：调整两侧送丝的角度，每根焊丝分别位于匹配的金属母材一侧，对激光头的位置进行调节，然后调整激光束作用于焊丝的光斑大小，保证两侧焊丝的稳定熔化。

步骤4：打开超声振动结构和超声冲击结构的电源，调整焊丝振动的幅度与频率，使焊丝产生合适的振动。

步骤5：调整雷达流量计的发射方向和角度，使其可以精准监测熔池流动情况。

步骤6：开始焊接，在焊接过程中雷达流量计不断监测熔池的流动信息，包括熔深、熔池表面流动速度，并将数据传递到控制系统。

步骤7：控制系统根据熔池的流动情况调节超声振动结构和超声冲击结构的输出功率、振幅、振动频率、振动波形以及第一焊丝和第二焊丝的送丝速度。

步骤8：在实时监测调控过程中，若监测到熔深较小则应增大超声冲击结构的输出功率、振幅与频率；若监测到熔池表面流速低，则应增大超声振动结构的输出功率、振幅和频率，其它情况同理。

步骤9：焊接完成，依次关闭激光焊接系统、双超声辅助双丝系统、雷达流量计、控制系统。

本发明具有一下有益效果：

本发明采用同种或异种送丝，可以灵活地调节熔池焊缝中的元素组成，匹配异种金属的物理化学性能特点，抑制脆性金属间化合物的形成。

此外，通过焊丝向熔池施加两种振幅方向不同的超声振动，可以使细化晶粒，均匀组织，提高界面组织的性能。

在异种送丝焊接时，施加的超声振动可以干预熔池流动，使熔池内元素混合更加均匀，抑制成分偏析，减少气孔、裂纹等缺陷。

同时雷达流量计监测熔池流动情况，并借助控制系统实时做出反馈，实现对熔池的实时调控。

因此本发明可以有效地提升异质材料焊接接头质量。

附图说明

图1为一种基于双超声振动辅助双丝的异质材料激光焊接熔池调控装置示意图；

图2为一种基于双超声振动辅助双丝的异质材料激光焊接熔池调控装置局部示意图；

图3为异种金属焊接过程中的U型坡口示意图；

图4为一种基于双超声振动辅助双丝的异质材料激光焊接熔池调控方法流程图。

其中，

1-双超声辅助送丝系统；11-超声振动结构；12-超声冲击结构；13-第一焊丝；14-送丝导嘴；15-送丝机；16-第二焊丝；

21-雷达流量计；

3-激光焊接系统；31-激光头；32-二工件；33-数控机床；34-熔池；

4-控制系统；41-显示器；42-控制柜；

11-1-第一换能器；11-2-第一变幅杆；11-3-工具头；12-1-第二换能器；12-2-第二变幅杆。

具体实施方式：

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

参考图1和图2所示，一种基于双超声振动辅助双丝的异质材料激光焊接熔池调控装置与方法包括双超声辅助双丝系统1、雷达流量计21、激光焊接系统3、控制系统4。

双超声振动辅助双丝系统1可以送入异种焊丝，匹配异种金属物理化学性能特点，抑制脆性金属化合物的产生；同时通过两侧焊丝向熔池34施加两种振幅方向不同的超声振动，主动干预熔池34流动，调控界面组织和熔池34内的元素混合；此外，所述雷达流量计21可以实时监测熔池34的流动情况，并借助于控制系统4实时做出反馈，实现对熔池34的闭环调控，解决了异种材料接头界面组织调控难的问题，提高了异种材料接头界面的质量。

双超声振动辅助双丝系统1包括超声振动结构11、超声冲击结构12、第一焊丝13、送丝导嘴14、送丝机15、第二焊丝16。

超声振动结构11连接于一侧送丝机构上，包括依次连接的第一换能器11-1、第一变幅杆11-2、工具头11-3；第一焊丝13在送丝导嘴14的入丝端穿过所述工具头11-3，所述超声振动结构11用于向第一焊丝13施加垂直于送丝方向的超声振动。

超声冲击结构12连接于另一侧送丝机构上，包括依次连接的第二换能器12-1、第二变幅杆12-2；第二焊丝16穿过超声冲击结构12内中心孔，从第二变幅杆12-2中心送出；所述超声振动结构12用于向第二焊丝16施加平行于送丝方向的超声振动。

雷达流量计21安装于后侧支架上，测量熔池34的熔深、流动速度，可以转动调整角度，采用非接触式测量，不受各种环境因素的影响。

所述控制系统4用于控制雷达流量计21、双超声辅助双丝系统1、激光焊接系统3。控制系统4根据熔池34的流动情况调整超声振动结构11和超声冲击结构12的输出功率、振幅、振动频率、振动波形及第一焊丝和第二焊丝的送丝速度，以达到对熔池34的闭环调控。

所述双超声振动辅助双丝系统1可同时向熔池34内施加两种振幅方向不同的超声振动；振幅方向平行于送丝方向的超声振动其能量主要作用在熔池34的深度方向，振幅方向垂直于送丝方向的超声振动其能量主要作用在熔池34的宽度与长度方向；因此所述控制系统4可根据所述雷达流量计21监测到的熔深数据和表面流动速度对应调节所述两种振幅方向不同的超声振动参数以实现对熔池34全方位的闭环调控。

一种基于双超声振动辅助送丝和双丝异种或同种金属的激光焊接熔池调控方法，包括以下步骤：

步骤1：首先对待焊工件32加工坡口并进行表面处理，清除表面杂质，之后将工件固定在数控机床33上。

步骤2：根据需要连接的异种金属的物理化学性能特点，选择合适的焊丝、送丝方式、送丝速度等。

步骤3：调整两侧送丝的角度，对激光头31的位置进行调节，然后调整激光束作用于焊丝的光斑大小，保证两侧焊丝的稳定熔化。

步骤4：打开超声振动结构11和超声冲击结构12的电源，调整焊丝振动的幅度与频率，使焊丝产生合适的振动。

步骤5：调整雷达流量计21的发射方向和角度，使其可以精准监测熔池34的流动情况。

步骤6：开始焊接，在焊接过程中雷达流量计21不断监测熔池的流动信息，包括熔深、流速、瞬时流量，并将数据传递到控制系统4。

步骤7：控制系统4根据熔池34的流动情况调节超声振动结构11和超声冲击结构12的输出功率、振幅、振动频率、振动波形以及第一焊丝13和第二焊丝16的送丝速度。

步骤8：在实时监测调控过程中，若监测到熔深较小则应增大超声冲击结构12的输出功率、振幅与频率；若监测到熔池表面流速低，则应增大超声振动结构11的输出功率、振幅和频率，其它情况同理。

步骤9：焊接完成，依次关闭激光焊接系统3、双超声辅助送丝系统1、雷达流量计21、控制系统4。

以下通过一个具体的实施例进一步说明本发明。

对厚度为10mm的TC4钛合金板与厚度为10mm的304不锈钢进行平板对接激光焊接，U形坡口，坡口形状尺寸如图3所示；采用异种金属送丝，焊丝采用直径为1.2mm的CuSi3焊丝和CuNi10焊丝；激光功率2kw，送丝速度7mm/s，焊接速度7mm/s，采用纯氩气进行保护，保护气流量为15L/min。

因为TC4和304不锈钢均属于异种金属材料，为避免两种金属直接接触产生脆性化合物，故采用U形坡口，如图3所示。两种焊丝采用异种金属焊丝，CuSi3焊丝熔融金属流动性好，熔化状态下与不锈钢润湿性好而且与不锈钢物理化学性能特点相匹配；CuNi10焊丝接头强度跟韧性高，可实现熔池冶金调控，与钛合金物理化学性能特点相匹配；使用这两种焊丝可以有效抑制脆性金属化合物的形成，形成的焊缝质量好。

对焊件32表面进行打磨和抛光，去除表面油污等处理，之后将焊件32固定在数控机床33上。

进一步地，调整两侧焊丝的送丝的角度调整为10度，对激光头31的位置进行调节，然后调整激光束作用于焊丝的光斑大小，保证焊丝的稳定熔化。

进一步地，打开超声振动结构11和超声冲击结构12，设置两侧超声的输出功率为1kw，振动频率为20khz，振幅为100um，振动波形为正弦形。

进一步地，将雷达流量计21的发射角度设置为-60度，使其可以精准监测熔池流动情况。

开始焊接，在焊接过程中雷达流量计21不断监测熔池34的流动情况，检测到熔池34熔深为2.3mm，熔池内液态金属流动速度为0.1m/s。

进一步地，控制系统4根据熔池34的流动情况(熔深较小、流动速度较低)将超声振动结构11的输出功率提高为1.2kw，超声频率提高为22khz，振幅提高为120um；超声冲击结构的输出功率12提高为1.5kw，超声频率提高为25khz，振幅提高为150um，以提高熔池的整体流动；

进一步地，在焊接过程中对熔池34进行实时监测与调控重复上述[0069]和[0070]过程，调控熔池到理想状态。

进一步地，焊接完成，依次关闭激光焊接系统3、超声辅助送丝系统1、雷达流量计21、控制系统4。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。